中級(jí)電力工程師職稱論文淺析二線制變送器的電路設(shè)計(jì)

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　　【摘要】本文通過實(shí)際的電路設(shè)計(jì)，對(duì)二線制儀表設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部分，電源設(shè)計(jì)和電流環(huán)電路設(shè)計(jì)，提供了詳盡的解決方案和實(shí)用電路設(shè)計(jì)，通過新型微功耗器件TLC5615/MAX409A的應(yīng)用，為二線制4-20mA電流環(huán)輸出電路的設(shè)計(jì)，提供一種高精度、超低功耗的設(shè)計(jì)電路。

　　【關(guān)鍵詞】二線制;電源;TLC5615;MAX409A;功耗

　　1.引言

　　二線制儀表，是將工業(yè)現(xiàn)場的檢測信號(hào)，如溫度、壓力、速度、流量等參數(shù)，轉(zhuǎn)換為4-20mA的電流信號(hào)，傳送到遠(yuǎn)距離外的控制室，以便于對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。由于電流信號(hào)對(duì)噪聲不敏感，不易受寄生熱電偶和溫漂的影響，普通雙絞線上可以傳輸幾百米距離，利用250Ω取樣電阻就可以將4-20mA電流信號(hào)變?yōu)?-5V的電壓信號(hào)，不受傳輸線的電阻影響。同時(shí)，二線制儀表符合本安防爆的要求，即24V/20mA的電流通斷不足以引燃瓦斯爆炸，所以在化工、煤礦、石油天然氣等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。同時(shí)二線制變送器具有布線簡單的特點(diǎn)。

　　由于二線制儀表，本身由電流環(huán)路供電，所以電流環(huán)僅能提供4mA以下的電流為儀表供電，所以對(duì)儀表的功耗提出苛刻要求，不能采用常規(guī)的方法進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)人員帶來了困難，如何能設(shè)計(jì)出高性能、高精度的二線制智能儀表，是目前國內(nèi)許多廠家迫切需要解決的問題。

　　本文對(duì)二線制儀表通用的電源設(shè)計(jì)和電流環(huán)電路設(shè)計(jì)，進(jìn)行了詳盡的理論分析，結(jié)合多年的工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用，提供了簡潔實(shí)用的應(yīng)用電路，采用此電路設(shè)計(jì)生產(chǎn)的二線制超聲波物位計(jì)，經(jīng)多家工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)證，性能穩(wěn)定，產(chǎn)品輸出電流精度滿足設(shè)計(jì)要求。

　　2.二線制變送器系統(tǒng)方框圖

　　如圖1所示，4-20mA電流環(huán)路輸入的24V電壓，經(jīng)過電源單元轉(zhuǎn)換為5V精密電源，為整個(gè)系統(tǒng)供電。主控單元控制超聲波的發(fā)射和回波信號(hào)處理，然后將處理的測量數(shù)據(jù)，通過D/A和V/I轉(zhuǎn)換單元，輸出4-20mA電流，接收端通過負(fù)載電阻(250歐姆)取出電壓信號(hào)，同時(shí)與電流環(huán)24V電源地相連構(gòu)成回路。

　　圖1 二線制超聲波測量系統(tǒng)框圖

　　3.二線制變送器電源設(shè)計(jì)理論分析

　　二線制儀表的原理是利用了4-20mA信號(hào)為自身提供電能。如果儀表自身耗電大于4mA，那么將不可能輸出下限4mA值。因此一般要求二線制儀表自身耗電(包括傳感器在內(nèi)的全部電路)小于4mA。

　　(1)電壓條件：在儀表電流環(huán)路中，一般取樣電阻R=250Ω。當(dāng)電流I=4-20mA變化時(shí)，取樣電壓為U=1-5V之間變化?？紤]到可能會(huì)串接其他儀表，以及傳輸電纜的阻抗，線路阻抗R的最大值可取350Ω，因此在20mA時(shí)，儀表兩端電壓為(24V-20mA×350Ω)=17V.4mA時(shí)，儀表兩端電壓為(24V-4mA×350Ω)=22.6V，所以儀表的工作電壓不能大于17V。

　　(2)電流條件：儀表中總功耗電流要小于4mA。

　　(3)功率條件：

　　20mA時(shí)，電流環(huán)提供的功率最大：

　　P=20mA×17V=340mW。

　　4mA時(shí)，電流環(huán)提供的功率最?。?/p>

　　P=4mA×22.6V=90.4mW。

　　所以儀表消耗的功率理論上不能大于90.4mw。

　　4.變送器電源單元設(shè)計(jì)

　　電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是降低電源電壓轉(zhuǎn)換的功耗，轉(zhuǎn)換效率要高，靜態(tài)電流要小。

　　將電流環(huán)儀表兩端的17V-22.6V電壓，降壓處理，有兩種方法。

　　第一種是直接采用線性穩(wěn)壓芯片，將輸入電壓穩(wěn)壓到5V，這樣會(huì)造成穩(wěn)壓芯片本身功耗太大，無法滿足其它電路的功率要求。

　　第二是采用開關(guān)型DC/DC芯片，又稱為BUCK降壓開關(guān)電源，電源效率一般高于85%以上，但開關(guān)型電源芯片是利用儲(chǔ)能電感儲(chǔ)能，輸出的5V電壓是脈動(dòng)的，電壓紋波噪聲不能滿足D/A及CPU控制芯片的要求。

　　綜合考慮，本電路設(shè)計(jì)采用“開關(guān)型DC/DC芯片+LDO線性穩(wěn)壓器”方式，即利用開關(guān)型DC/DC芯片，將電流環(huán)提供的高電壓降低，然后利用低壓差線性穩(wěn)壓器來提高儀表電源的紋波抑制比。同時(shí)選擇的芯片外圍器件要少，減少能量損耗;

　　設(shè)計(jì)電路如圖2所示：

　　圖2 電源模塊電路圖

　　圖2中，L1為儲(chǔ)能電感33μH，D1續(xù)流二極管，F(xiàn)B=1.25V。開關(guān)型降壓DC/DC芯片為MAX1776，是MAXIM公司的新型低功耗芯片，靜態(tài)電流為15uA電壓轉(zhuǎn)換效率為95%以上，輸入電壓范圍：Vin=4.5V～24V，輸出電壓可以通過電阻R1和R2進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出電壓可在1.25V～Vin之間變化。

　　Vout=1.25×(1+R1/R2)

　　本設(shè)計(jì)中，MAX1776輸出電壓為7V，按電源效率95%計(jì)算，可用功率=90.4mw×95%=85.8mW。

　　低壓差線性穩(wěn)壓器，選擇為MAX603，是MAXIM公司的超低功耗器件，靜態(tài)電流15uA。MAX603輸入電壓范圍是2.7V-11.5V，將引腳SET接地時(shí)，典型的輸出電壓為5V，輸出電流200mA時(shí)，典型壓差0.5V，為保證穩(wěn)壓電路可靠工作，考慮脈動(dòng)成分，所以設(shè)定MAX1776輸出電壓為7V。

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